小型无尾液压挖掘机设计——毕业论文.doc

摘要液压挖掘机是工程机械的主要机种之一,是土石方开挖的主要机械设备,广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。小型液压挖掘机通常指标准斗容在0.25m3以下，或指机重在8t以内的挖掘机产品。国外发达国家和地区的大规模的基础建设早已于20世纪60年代结束，从1970年以后起国际上已形成小型液压挖掘机的需求市场。小型液压挖掘机的发展虽然只有30多年的生产历史，但其发展非常迅速。在参照和分析山河智能系列和久保田系列小型液压挖掘机的基础上，设计了无尾式小型液压挖掘机。本文主要进行小型液压挖掘机的总体设计和有关计算。首先根据小型液压挖掘机的工作概况及性能参数的设计要求，确定了液压挖掘机的设计方案，完成了主要参数的设计计算，并对主要工作装置的铰点和关键部位进行力学分析和计算；然后对行走系统、动力系统、传动系统和回转系统进行设计计算。接下来对整机的稳定性进行了分析和研究，并对其可能发生的失稳状态进行校核。关键词：液压挖掘机，主工作装置，底盘行走系，挖掘装置abstractexcavator is an important aircraft construction machinery is one of the important earthwork excavation machinery and equipment, which is widely used in small earth and stone works, municipal engineering, road repair, laying cables, agricultural reform and modernization of military engineering of mechanized construction.small hydraulic excavators usually refers to the standard bucket capacity below0.25 m3, or refers to the machine focuses on the excavator within the 8t. large-scale infrastructure in developed countries and regions already end in the 1960s, on the formation of the needs of small hydraulic excavators market since 1970. the development of small hydraulic excavators, although only 30 years of production history, but its development is very rapid. on the basis of reference and analysis of the shanhe intelligent series and kubota series of small hydraulic excavators, designed the no tail small hydraulic excavators.this article mainly presents the design and relevant calculation of the hydraulic system in the mini excavator. first of all, overview of the work of small hydraulic excavators and performance parameters of the design requirements, to determine the design of the hydraulic excavator, completion of the main parameters of the design calculations,and mechanics analyzing and the fulcrums and important components of the main working equip. then design the working device, walking systems, power systems, powertrain and chassis. next, analysis and research on the stability of the machine, and check the state of instability that may occur.keywords: hydraulic excavator , work equipment, chassis motion train, dig equipment.目录1绪论71.1引言71.2国内外小型挖掘机的发展情况71.2.1国内小型液压挖掘机的发展状71.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向81.2.3小型液压挖掘机的类型91.3液压挖掘机发展方向101.4本课题的目的和意义111.5本设计研究的主要内容112总体方案的构思132.1基本原理及主要工艺132.2主要构思方案132.3本方案特点143动力系统的设计153.1牵引力和牵引功率的平衡153.1.1机械行驶作业过程中的阻力153.1.2牵引工况时的牵引力平衡和牵引功率平衡163.1.3运输工况时的牵引力和牵引功率的平衡173.2发动机的选型183.2.1 单斗液压挖掘机对柴油机的基本要求183.2.2 发动机功率的确定193.2.3发动机的额定转矩214 工作装置的设计224.1工作装置的构成224.1.1动臂及斗杆的结构形式234.1.2动臂油缸与铲斗油缸的布置244.1.3铲斗的结构选择244.2工作装置结构尺寸的确定254.2.1 斗形参数的确定264.2.3动臂机构参数的选择274.3斗杆机构参数的选择314.3.1斗杆挖掘阻力的计算314.3.2斗杆结构形状及尺寸的确定324.4铲斗连杆机构基本参数的选择334.5铲斗挖掘阻力计算344.6挖掘机构受力分354.7轴孔和相应轴的设计445回转机构的设计455.1转台的设计455.1.1转台基本尺寸的确定455.1.2转台的布置465.2回转支承的选择465.3回转滚盘的计算与选型475.3.1回转支承型号的选择475.3.2回转小齿轮的设计496驾驶室的设计506.1驾驶室的外型设计506.1.1驾驶室的外型的尺寸设计506.1.2驾驶室外形及颜色设计516.2驾驶室的宜人化设计516.2.1驾驶室的噪声控制516.2.2驾驶室的通风526.2.3驾驶室的隔热526.2.4驾驶室的密封526.2.5驾驶室的防护措施527整机稳定性537.1作业稳定性537.1.1挖掘失稳状态537.1.2卸荷失稳状态587.2自身稳定性628液压挖掘机的使用与维护说明648.1液压挖掘机操作环境与使用条件648.2液压挖掘机使用要求及说明648.3液压挖掘机日常的维护与说明648.4液压挖掘机的操作规程658.4.1作业前的技术准备658.4.2作业与行驶中的技术要求658.4.3作业后的技术工作668.5液压挖掘机行走操作及注意事项669结论67参考文献68附录1：yw0.2型小型无尾液压挖掘机主要性能参数69附录2：图纸清单及编号70致谢711绪论1.1引言液压挖掘机是工程机械的主要机种之一，是土石方开挖的主要机械设备,广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程，农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等的机械化施工中。由于机电一体化的运用, 挖掘机在近些年发展很快，挖掘机的性能得到很大的提高。现代挖掘机具有各种工作装置与功能,去掉挖斗的挖掘机是一个工作平台.随着我国经济建设的飞速发展,特别是国家逐步增加对高等级公路、铁路、住宅和水利设施的投入，挖掘机越来越显示出适应性强、作业效率高等优越性。小型多功能液压挖掘机通常指标准斗容在0.25m3以下，或指机重在8t以内的挖掘机产品，产品归类为小型工程机械，在世界工程机械市场，属销量最大的工程机械产品之一。小型无尾液压挖掘机的尾部长度为零，可以在狭窄地段方便的作业。受施工场地限制较少，在建筑物间、城市道路、园林绿化、挖掘沟槽等小型土方施工中比大中型挖掘机更有优势，即使在仅靠墙根时也能方便的进行回转和挖掘，与大型挖掘机相比，小型挖掘机设备的购买投入较少，使用成本相对较低。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后，具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。国外发达国家和地区的大规模的基础建设早已于20世纪60年代结束，从1970年以后起国际上已形成小型液压挖掘机的需求市场。小型液压挖掘机的发展虽然只有30多年的生产历史，但其发展非常迅速。1.2国内外小型挖掘机的发展情况1.2.1国内小型液压挖掘机的发展状挖掘机市场在国内比装载机等工程机械起步晚，小型液压挖掘机则更晚。尽管近几年小型液压挖掘机在国内市场的发展速度很快，主要生产厂家已有几十家，市场销售增长率很高，但仍处于起步阶段。在国内小型液压挖掘机生产企业中，以广西玉柴为首，山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小型液压挖掘机团队已经初具规模。国内小型液压挖掘机目前已形成1.5t至8t全系列产品，并占有国内市场的主要份额，且有少数出口。国内小型液压挖掘机目前的整体技术水平处于国际二十世纪八十年代末九十年代初的水平，与国际先进技术的差距主要体现在整机匹配、微操作性能、维修性、可靠性及外观质量上。现阶段我国的挖掘机仍处于仿制阶段，缺乏自主开发能力和发掘自身优势的意识。目前国产品牌的优势仍主要建立在价格和服务优势上，技术上还无法与国际先进水平相提并论。未来的发展将在很长一段时间内受制于两大主要配件，一是动力，二是液压件。国产动力要抗衡进口动力尚需时日，而国产液压件取代进口液压件更需巨大努力。1.2.2国外挖掘机目前水平及发展动向工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40 m3单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。（1）开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01 m3。另外，数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。（2）迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切，挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。（3）重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司新c系列ls-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费。还安装了caps（计算机辅助功率系统），提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。（4）更新设计理论，提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法，并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序，研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下，借助于大量试验，缩短了新产品的研究周期，加速了液压挖掘机更新换代的进程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液压挖掘机的运转率达到85%-95%，使用寿命超过1万小时。（5）加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。（6）进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中，压力减小时和增大流量来裣，使液压泵功率保持恒定，亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量（降低速度），使挖掘力成倍增长率加；采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通，成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外，液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。（7）迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。总之，国外小挖目前水平与发展动向国外小挖目前水平完全可以称之为渐趋完美、渐入佳境，其功能的可靠性，操作的流畅性和舒适性不必详述，即使其驾驶室内的美观与质感也几可与国产轿车蓖美。国外小挖目前的发展动向主要体现在：以一机多能为目标的多功能化；以提高操作性能为目标的智能化；以节能为目标的功率模式控制；以动态设计分析为基础的可靠性设计；以人为本的驾驶室设计；基于微电子技术的自动监控系统的发展。1.2.3小型液压挖掘机的类型根据小型挖掘机基本功能要求，为了更能适应作业形态和工作要求，经淘汰化，目前有以下三种形式。1）标准型是最早生产的挖掘机机种，其结构特点是挖掘机前部工作装置和后部平衡部分都突出在履带宽度之外。机体较宽敞驾驶室居住性好，重心布置得当，稳定性好，作业性能优良。在以前标准型是小型挖掘机的主力机种。但由于后部突出较大，在工作过程中易出现后部碰撞事故。因此今年它的发展受到了限制，在长期的设计和使用实践中其液压系统有了较大改进，工作装置重量减轻了，作业范围扩大了。2）超小回转型其主要特点是工作装置在收缩状态可收到履带宽度之内，其后不平衡部分也在履带宽度之内，即整个上部回转体轮廓的最小回转半径小于履带宽度。它主要用于在非常狭窄场所下施工，例如管道施工等。为了回转半径小，要求动臂举升角大，这给动臂带来了困难，要挖侧沟，不能采用动臂偏转方式，而要将动臂分成两段，中间采用平行连杆机构，即偏置式挖侧沟形式。3）后部小回转型回转机构后部设计成圆弧形，它的外廓旋转半径在履带宽度范围之内。这种小挖掘机具有接近标准型的作业能力和接近超小回转型的回转性能。其主要优点是作业时注意力可集中于工作装置，不用担心后部与外界碰撞，安全性能好，作业效率也高，且运输型是三种小挖掘机中最好的，目前已替代标准型成为小挖掘机中的主力机种。1.3液压挖掘机发展方向单斗液压挖掘机的研制和改进主要的发展方向在于：1、发动机功率的充分有效利用，通过各种途径使机械多做有效功，其中包括动力装置与液压传动的最佳匹配，提高传动效率，能量回收，高效液压系统的研究等；2、铲斗挖掘力的充分发挥，挖掘力大小和有效作用范围是衡量各种液压挖掘机工作能力的重要指标，目前通过优化程序实现工作装置铰点最佳布置，采用高压与超高压技术，提高整机稳定性等方面进行研究；3、缩短工作循环周期，提高机械生产率，包括整机性能研究(作业循环、回转和行走性能的研究)，发展专用机械和工作装置以及机械大型化和小型化等；4、机械可靠性研究，是各国十分重视的一项内容，关键在于设计的合理化和材料工艺的研究，包括摩擦磨损机理的研究和新材料的应用，在试验手段方面，进行挖掘机整机和液压传动的快速试验研究，以及结构件快速疲劳试验和寿命预测的研究等，从而保证整机的可靠性，延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本；5、司机室安全舒适性以及维护保养的方便性对挖掘机的有效利用有极大影响，从人体生理学和环境工程的观点来研究操作舒适性和振动噪音对司机和环境的影响，以及控制空气的污染等，各国已做了大量工作，国内也逐渐予以注意；6、加快产品开发速度，满足快速多变的市场需求；7、采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快1.4本课题的目的和意义随着我国经济建设的高速发展，以及我国公路养护常规化，园林绿化的有序进行，小区建设工程增多，市政工程不断升级，农田建设正趋向机械化，而在这些工程施工中，大多是小型土方施工。因此，在施工中小型多功能液压挖掘机比大中型液压挖掘机更有优势，即使在靠墙时也能方便的进行回转和挖掘，况且小型挖掘机资金投入少，使用成本相对较低。小型多功能挖掘机的地位不容忽视，其应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强劲后市，越来越受广大消费者青睐。而无尾式小型液压挖掘机在我国的发展才刚刚起步，其技术还远远落后于国外。此时对小型液压挖掘机进行一些理论联系实际的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导意义。本次所设计的小型无尾液压挖掘机。设计内容是总体设计，主要包括底盘的设计、动力系统的设计和挖掘工作装置的设计。总体设计的优劣决定着其他零部件的设计质量，更决定了整机的性能。合理正确、全面的总体设计是保证整个设计任务完成的关键。因此总体设计应该有一个全面的，更高层次的设计理念。总体设计主要是 对履带式小型无尾液压挖掘机进行深入的分析，并提出切实可行的方案，对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算最后再将其建模装配。在整体设计中，挖掘机工作装置的设计和底盘是最重要的，也是整机设计的关键所在。其中本次设计中的工作装置的设计必须考虑全面，比如外形尺寸、形状、铰点布置、工作过程中不能相互干涉、材料的强度、刚度等等。此次涉及的工作装置是反铲装置，动臂部分主要采用整体式弯动臂，这样有利于得到较大的挖掘深度。1.5本设计研究的主要内容本次所设计的挖掘机为无尾式小型液压挖掘机。设计的内容为总体设计，主要包括主工作臂的设计、底盘行走系统的设计和推土铲的设计。总体设计的优劣决定了其它零部件设计的质量，也决定了整机的性能。合理的、全面的总体设计是整个设计任务顺利完成的保证。因此，对整体设计必须从一个更高的层次出发，对整体设计必须提出更高的要求。总体设计主要是对小型无尾液压挖掘机进行深入地分析，并提出切实可行的方案，对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算，最后再将其建模装配。在整体设计中，主工作装置的设计、底盘行走系统的设计是最重要的，也是整机设计的关键所在。因为对于整个挖掘机而言，主工作装置和底盘行走系是整个机器工作的前提和保证，它将决定整个机器的性能和质量。主工作装置的设计必须考虑全面，比如外形尺寸、形状、铰点布置、工作过程中不能相互干涉、强度、刚度等等。而对于底盘行走系统，履带式比轮式更加稳定，转弯半径更小，接地比压更大，附着性能更好，结构布置更加紧凑，执行操作更加方便。此次设计的主工作装置主要采用反铲装置，动臂部分主要采用整体式弯动臂，这样有利于得到较大的挖掘深度。斗杆部分主要采用整体式直动斗杆；铲斗部分采用道侧齿的铲斗。底盘行走系采用履带式行走底盘，在设计底盘过程中尽量采用标准件，以便更换方便。2总体方案的构思2.1基本原理及主要工艺对于一般的工程机械来说，都必须将包括动力系统、传动系统、底盘行走系统、操作控制系统和执行系统这五大基本系统。动力系统主要采用的是柴油发动机，其原因是由于它不受电源、电缆的限制，使得工程机械移动、行驶方便且功率大、工作可靠、燃料经济性好、排气污染小。工程机械的传动系统的类型有：机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动。在本设计中采用的是液压传动系统，液压传动系统的主要优点是:能够实现无级变速且变速范围大，车辆可以实现微动；变速和变向操作简单，一根操作杆即可；可以利用液压传动系统实现制动；采用左右轮分别驱动系统，能够方便的实现车辆的弯道行驶和原地转向；便于实现自动化操作和远距离操作；液压传动系统的主要缺点是：噪声大、传动效率低以及液压元件密封困难等。底盘行走系统主要类型有轮式和履带式。履带式液压挖掘机具有在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，适用范围大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可通过加宽和加长履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏，通常行走的液压挖掘机多为全液压传动。操作控制系统一般包括底盘操作系统和工作装置操作系统两个部分。执行系统主要包括各种类型的工作装置和机构。根据这五大基本系统，来选择机型，确定总体布置方案。2.2主要构思方案根据实际调研结果，结合国内外工程用液压挖掘机的相关资料，经过认真分析总结，又根据设计的要求，考虑到机械的实用性、经济性、生产等方面的因素，我们仿照case系列和山河智能小型液压挖掘机的整体结构和整机系统，拟定构思方案如下：（1）动力系统采用柴油发动机；（2）传动系统采用液压传动系统；（3）底盘行走系统采用履带式底盘；（4）操纵控制系统采用全液压控制系统；（5）执行系统主要包括铲斗、斗杆和动臂。动臂部分主要采用整体式弯动臂，斗杆部分主要采用整体式直动斗杆，铲斗部分采用道侧齿的铲斗，而整个主工作装置则采用反铲装置。在此次设计当中，本人所承担的设计任务主要是挖掘机总体设计。2.3本方案特点整机结构简单，结构紧凑。采用履带式底盘，作业行走方便，对作业现场的适应能力强。可替换的钢制履带和橡胶履带可使机械在不同的工况下工作，对场地的适应性好。另外，采用履带式底盘结构，机械的整机稳定性好，使用全液压驱动，可以很轻松的实现无级变速和自动刹车，且能够实现较大范围的调速。采用回转支撑可以使机器轻松实现360的全方位回转，工作能力可以得到大大的提高。采用久保田发动机，能够在保证功率的前提下，实现在较小空间内的安装布置，使车身和转台不会超过设计的要求，从而满足“无尾”的要求，实现作业的顺利进行。3动力系统的设计动力系统的设计需要计算整机的牵引力平衡和牵引功率平衡，选择合适的柴油机，满足功率和扭矩要求，且发动机的外形尺寸不和其它部件发生干涉。3.1牵引力和牵引功率的平衡研究牵引力平衡和牵引功率平衡，是为了分析机械在行驶作业过程中，牵引力是怎样利用的以及发动机的功率是怎样消耗的。牵引力平衡和牵引功率平衡是指机械在行驶作业过程中的任何瞬间，其牵引力平衡可以分析挖掘机的动力性能，根据牵引功率平衡可以选定挖掘机发动机的功率及分析牵引功率。3.1.1机械行驶作业过程中的阻力挖掘机行驶作业过程中，在底盘行走架上有以下几种阻力：（1）滚动阻力 (kn) (3-1)式中 挖掘机自重(kn)，根据单斗液压挖掘机表1-2，初步设定挖掘机自重为,6.3t，则63009.8=61.7kn；滚动阻力系数，根据铲土运输机械表1-1，考虑到挖掘机的工作环境，取=0.07；坡角，根据任务书要求 =30；所以： (kn)61.70.07cos30=3.74kn（2）坡度阻力（kn）=61.7sin30=30.85kn（3）工作阻力（kn）（4）风阻力（kn）（5）加速阻力（kn）3.1.2牵引工况时的牵引力平衡和牵引功率平衡（1）牵引力的平衡挖掘机在工作时，其切线牵引力需克服滚动阻力、坡度阻力、工作阻力、风阻力及加速阻力，即： （3-2）取自工程机械底盘构造与设计p139式中：切线牵引力，对于履带式行走系：/；驱动力矩（）；履带驱动功率，=0.96；驱动轮动力半径。由于挖掘机在进行挖掘作业时不行驶，所以挖掘机作业过程中地盘行走架上的工作阻力可以忽略不计，即作业过程中底盘行走架上的工作阻力。由于挖掘机的行走速度较慢，因此其风阻力和挖掘阻力均可忽略不计。所以，在上式中风阻力和加速阻力均为0。因此，挖掘机的切线牵引力由此得出牵引工况时挖掘所需总的牵引力。由于挖掘机是履带式，有两个驱动轮，所以对于每个驱动轮，其切线牵引力为：=欲得到每个驱动轮上的驱动力矩，就必须知道驱动轮的动力半径，动力半径可以由后面的底盘行走系部分得到：320.6 mm所以驱动轮的总的驱动力矩为：（2）牵引功率的平衡本设计的挖掘机有两个工作装置，主工作装置和附属推土铲一般不会同时工作，其中主工作装置工作时消耗的功率较大，因此，牵引功率应按主工作装置进行计算。主工作装置工作时，而底盘行走架是不工作的，即机械是停在原地不动的。此时机械的行使速度为0，从而驱动轮的行使速度也为0。对于此时的挖掘机，发动机的全部功率都消耗在主工作装置上。所以，机械的驱动功率=0。3.1.3运输工况时的牵引力和牵引功率的平衡挖掘机在运输工况下没有工作阻力，而行使速度较高，故此时风的阻力不能忽略不计。由于没有工作阻力，牵引力较小，故可以忽略滑转引起的功率损失。（1）牵引力的平衡挖掘机切线牵引力： (3-3)取自工程机械底盘构造与设计p139式中 滚动阻力，=3.74kn；坡度阻力，=30.85kn；风阻力； (3-4)取自工程机械底盘构造与设计p139其中为理论行使速度，由任务书可知km/h。为机械流线型系数，通常取0.60.7（/）。表示机械迎风面积，为履带轨距，为机械高度。参照同组同学计算结果，b=1500mm；h=2580mm。则 对于其加速阻力可以忽略不计。所以其切线牵引力为：2).牵引功率的平衡挖掘机行走时的最大理论行使速度为：km/h对于履带式机械：由于在运输工况下，较小，速度较高，所以滑转率。因此，挖掘机的实际行使速度 (3-5)参看工程机械底盘构造与设计p139式中 滚动阻力功率，；克服坡道阻力功率，；克服加速消耗的功率，可以忽略不计，即=0；克服风的阻力功率，所以，也即挖掘机在运输工况时的驱动功率为：3.2发动机的选型3.2.1 单斗液压挖掘机对柴油机的基本要求目前及今后的一个相当长的时期内，单斗液压挖掘机的动力将仍以柴油机为主。极少采用其它原动机。因为，柴油机具有机动灵活、特性曲线硬、工作可靠，使用经济等优点。单斗液压挖掘机所用柴油机的基本要求与汽车、拖拉机类同。但由于挖掘机工作条件更恶劣，负荷不稳定，甚至有时超负荷工作。故柴油机的工作负荷一般应低于额定负荷。挖掘机的额定负荷与汽车、拖拉机不同，它是指在额定转速下一小时以上的额定功率。挖掘机工作的特点是：环境温度变化大（经常为40c，有时最热达60 c），灰尘污物较多；负荷变化大；经常倾斜工作，有时在斜坡上常年工作；维护保养条件差，工地离维修厂较远。为此，对柴油机就提出了一些特殊要求：（1）柴油机的大维修不得低于30004000工作小时。（2）燃油消耗量不得大于190克/马力小时。机油消耗量不应大于34克/马力小时。希望不用较稀缺的燃料和油料。（3）结构简单，保养维修方便，调整点少，备件可充分供应。（4）低温启动容易。（5）要有效能高、清洗方便、进气阻力小的空气滤清器及柴油、机油滤清器。保证在含灰量为2时，柴油机能正常工作。（6）小功率的柴油机应考虑从曲轴前端、侧面或分配齿轮箱均能独立地输出全部功率。因为有些挖掘机有时有专门的转向泵或数个泵。（7）.在额定功率下，至少能连续工作一小时功率不下降。连续工作四小时，功率下降别的超过5%。柴油机适应性系数不得低于1.151.20。要装有全程调速器。（8）柴油机出厂应备有空气滤清器、水或油冷却装置、电气仪表、操纵机构及机罩等。同时，还应考虑添加增压器。3.2.2 发动机功率的确定根据牵引工况和运输工况的功率平衡方程式分别算出所需功率，然后取其中较大值来选择柴油机的标定功率。（1）牵引工况 (3-6)取自铲土运输机械p37式中 ： 机械传动效率（履带式包括履带驱动功率）。计算时取：轮胎式=0.900.92；履带式=0.870.89；液力变矩器效率，计算时取，采用机械传动时； 液压泵的流量,； 液压泵进出口压力差,； 液力压泵及液压泵驱动机构的效率，可取。（2）按运输工况最高行驶速度计算 (3-7) 参看铲土运输机械p37页 各参数意义同前。 =39.36kw取其最大值：综上分析，并考虑发动机的辅助功率及功率储备，选取洋马公司生产的4tnv98t(-zgg)型柴油机，其基本参数如下：表 3-1 tnv98t(-zgg)柴油机基本参数 名称 技术参数型号4tnv98t(-zgg)型式直喷、水冷、立式、四冲程吸气方式涡轮增压气缸数4气缸直径活塞行程（mm）98110活塞排量（l）3.319标定功率(kw)/转速(r/min)51/1800润滑油sae 10w30,api 级别 cd外形尺寸（长宽高）（mm）7635536673.2.3发动机的额定转矩根据机械原理相关公式 （3-8）式中 发动机的额定转矩； 发动机额定功率；=33kw； 发动机额定转速；=2200 r/min；代入数据计算得到：。4 工作装置的设计4.1工作装置的构成1-动臂油缸；2- 动臂； 3-斗杆油缸； 4-斗杆； 5-铲斗油缸； 6-摇杆； 7-连杆；8-铲斗；图4-1工作装置组成图图2-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗8、连杆7、斗杆4、动臂2、相应的三组液压缸1, 3,5等组成。动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达，使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩，使铲斗翻转进行卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同，反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构，进一步简化得图如2-2所示。1-铲斗；2-连杆；3-斗杆；4-动臂；5-铲斗油缸；6-斗杆油缸图4-2 工作装置结构简化图挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度l1、斗杆油缸长度l2、铲斗油缸长度l3决定，当l1、l2、l3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。4.1.1动臂及斗杆的结构形式动臂是反铲工作装置的主要构件之一，反铲动臂按其数量特征可分为整体式和组合式两类。按其外形特征分为直动臂和弯动臂两种。整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。在现在常用的中小型反铲液压挖掘机中主要采用的这种结构形式。其结构坚固耐用，结构强度较高，动作灵敏，工作范围较大，与同长度的直动式动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。且外型美观，截面还采用箱型结构，节省材料，更重要的是受力状况较好，强度较高。相对于直动式动臂，受力状况和强度均有很大的改善，另外过渡处的圆角和圆弧使其应力集中情况也有所避免。综上所述，结合任务书对挖掘深度和卸料高度的要求，动臂结构选择整体式弯动臂。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。4.1.2动臂油缸与铲斗油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂前下方，下端与回转平台铰接，动臂下支撑点可以设在底座回转中心之前。它也可以设在底座回转中心之后，以改善其受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。因此采用动臂支点靠前布置方案。动臂液压缸与动臂铰点有两种布置方案，一种是动臂液压缸铰接于动臂中部的方案，此方案一般用于双动臂液压缸，分置于动臂的两侧，有利于增加反铲挖掘机的挖掘深度并提高工作装置的稳定性，但会削弱动臂强度，大中型挖掘机多采用此方案。另一种为动臂液压缸铰接于动臂下翼板的方案，该方案对动臂断面强度没有影响，但影响动臂的下降幅度并降低了挖掘深度，由于其结构较为简单在采用单动臂液压缸的小型挖掘机上大多采用此方案。本设计采用第二种方案。斗杆油缸的布置应保持斗杆产生足够的斗齿挖掘力，同时保证斗杆的摆角范围。铰点布置和油缸行程的确定应结合作业尺寸及挖掘力的要求反复进行，在保证作业要求的前提下，使其结构合理，材料更节省。4.1.3铲斗的结构选择铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大，其应满足以下的要求：1）有利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。2）要使物料易于卸尽。3）为使装进铲斗的物料不易洒落和掉出，铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4：1，当大于50：1时，颗粒尺寸不考虑，视物料为均质。4）为了提高铲斗的切入和破碎能力，便于耙出物料中的石块，对于较为坚硬的或夹杂石块的物料，一般要在斗刃上装设斗齿。综上考虑，选小型挖掘机常用的铲斗结构，基本结构如图3-2所示图4-3 铲斗结构示意图4.2工作装置结构尺寸的确定经验公式计算法是在概率统计的基础上得出的以液压挖掘机的机重为基本参数的一系列经验公式，用来确定挖掘机的各种参数。根据液压挖掘机公式:线尺寸参数li=kli3g (m)面积参数si=ksi3g2 (m2) 体积参数vi=kvi3g3 (m3) 式中li、si、vi分别为线尺寸、面积尺寸、体积尺寸kli、ksi、kvi分别为线尺寸经验系数，根据液压挖掘机表2-1选取g为液压挖掘机的机重，表4-1 工作装置的经验计算名称代号及参数选取计算结果(m)动臂长kl=1.8斗杆长kl2=0.8斗长度 kl3=0.46最大挖掘半径最大挖掘深度kz=2.2最大挖掘高度kh=2.5最大卸载高度kq=1.8臂铰离回转中心kx0=0.15臂铰离地高度kh0=0.65臂铰与液压缸铰距ke0=0.34.2.1 斗形参数的确定由单斗液压挖掘机p公式2-40q=rb（2sin2）k得： b= （4-1）式中：b转斗平均宽度； r转斗挖掘半径；r=850mm； k土壤松散系数；k=1.25；2转斗装满转角；2=90=1.5708；q铲斗额定斗容量；q=0.2 m；代入式3-3得b=0.776m=776mm；根据液压挖掘机p88表3-4， q=0.12m时，b的取值在合适范围内。铲斗上两个铰点之间的距离,一般取特性参数,所以，这里取，一般取,这里取。4.2.3动臂机构参数的选择动臂通常做成向下弯曲的形状，有上下两段直的部分和中间弯曲的部分组成，动臂弯角一般的取值范围为12001400，本设计初选120。上下动臂的长度之比=1.11.3，初选取。在三角形cuf中，由已知可求得：=180-120-27=33图4-4 最大挖掘半径时动臂机构计算简图动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比按不同情况选取，以反铲为主的专用机取=0.4，取65。斗杆液压缸全缩时，最大，常选，本设计取，取决于液压缸布置形式，动臂单液压缸结构中初取（图3-9）。图4-5 最大卸载高度时动臂机构计算简图图4-6 最大挖掘深度时动臂机构计算简图据单斗液压挖掘机:由图（4-5）得最大卸载高度的表达式为： （4-2）由图4-6得最大挖掘深度绝对值的表达式为：将两式相加，消去并令，得：式中： 又特性参数k4 = sin1max/ 1sin1min因此， 将上式代入得到一元函数，由于设计任务书中要求最大挖掘高度大于4500mm，最大挖掘深度大于3000mm，故设计最大卸载高度等于3500mm，最大挖掘深度为3500mm。整理得：7-3324sin（1max- ）+ sin（-1min） + 1.478sin（1max + ） = 0解得： 由单斗液压挖掘机公式2-56求得： =0.55m1min与1max需要满足以方程：以及不等式： 联立求解得： = 2.40 = 3.04由式所以，；4.3斗杆机构参数的选择4.3.1斗杆挖掘阻力的计算斗杆挖掘过程中，切削行程较长，切土壤厚度在挖掘过程中为常数，一般取斗杆在挖掘过程中总转角，在这转角过程中，铲斗被装满，这时斗齿的实际行程为：式中:半杆挖掘时的切削半径，取 斗杆挖掘时的切土厚度可按下式计算： （4-3）斗杆挖掘阻力： （4-4）其中：-挖掘比阻力，查得；当斗杆与铲斗垂直时值最小，值最大；4.3.2斗杆结构形状及尺寸的确定同类机型和设计手册，初选斗杆液压缸的伸缩比=1.65，液压缸缸径=100mm；系统压力p=16mpa ，斗杆液压缸最大推力：斗杆油缸的最大力臂可由力矩平衡方程得： efq取决于结构因素和工作范围,一般在130170之间.初定efq=,动臂上dfz也是结构尺寸,按结构因素分析,可初选dfz=.4.4铲斗连杆机构基本参数的选择连杆机构尺寸参数的选择，其应满足以下几个条件：1）要保证铲斗有足够的转角范围。铲斗的总转角范围为，本设计初选铲斗总转角为，开挖仰角为2）要使铲斗斗齿上能产生足够大的挖掘力，且其变化规律要与挖掘阻力的变化规律相一致。3）机构不能发生干涉，保证gfn、g